stm32——SPI协议

news2025/6/4 6:11:51

stm32——SPI协议


STM32的SPI(Serial Peripheral Interface,串行外设接口)协议是一种高速、全双工、同步的串行通信协议,广泛评估微控制器与各种外设(如传感器、器件、显示器、模块等)之间的数据传输。STM32微控制器内置的SPI外设具有高度可配置性,支持多种操作模式和数据格式。

1. SPI协议概述

  • 主从架构(Master-Slave Architecture):SPI通信采用主从模式。通常有一个主设备(Master)和多个从设备(Slave)。主设备负责发起通信、提供时钟信号,并选择通信的从设备。从设备在被选中时响应主设备的请求。
  • 同步通信(Synchronous Communication):数据传输由一个共享的时钟信号(SCK)同步。主设备产生并控制SCK信号。
  • 全双工(Full-Duplex):SPI支持同时进行数据发送和接收,即发送和接收通道是独立的。

2. SPI的四根基本信号线

典型的SPI通信使用四根信号线:

  1. SCK (Serial Clock):串行时钟线。由主设备生成,用于同步主设备和从设备之间的数据传输。
  2. MOSI (Master Out Slave In):主设备输出,从设备输入。主设备通过此线向从设备发送数据。
  3. MISO(Master In Slave Out):主设备输入,从设备输出。从设备通过此线向主设备发送数据。
  4. SS/ CS (Slave Select / Chip Select) :从设备选择/片选线。由主设备控制,用于选择通信的从设备。当SS/CS线为低电平(通常为活动低电平)时,对应的从设备被选中并准备好进行通信;当为高电平时,从设备在非选中状态,其MISO线通常会呈高阻态,允许从其他设备共享MISO线。

图1:SPI通信基本连接图(单主多从)

             +---------------------+                 +---------------------+
             |       Master        |                 |       Slave 1       |
             |                     |                 |                     |
     SCK <---|---------------------|------> SCK <---|                     |
    MOSI <---|---------------------|------> MOSI <---|                     |
    MISO <---|---------------------|<------ MISO <---|                     |
     CS1 <---|---------------------|------> SS/CS <---|                     |
     CS2 <---|---------------------+                 +---------------------+
             |       Master        |
             |                     |                 +---------------------+
             |                     |                 |       Slave 2       |
             |                     |                 |                     |
     SCK <---|---------------------|------> SCK <---|                     |
    MOSI <---|---------------------|------> MOSI <---|                     |
    MISO <---|---------------------|<------ MISO <---|                     |
     CS1 <---|                     |                 |                     |
     CS2 <---|---------------------|------> SS/CS <---|                     |
             +---------------------+                 +---------------------+

说明:

  • SCKMOSIMISO线路在多个从设备之间是共享的。
  • 每个从设备都需要布线独立的SS/CS线路,主设备通过将对应从设备的SS/CS线路拉低来选择通信的从设备。

3. STM32 SPI工作模式(CPOL和CPHA)

SPI协议的灵活体现在其四种工作模式上,这由时钟时钟(CPOL)和时钟相位(CPHA)两个参数决定。

  • CPOL (Clock Polarity)

    :时钟按钮。定义了SCK信号在空闲状态时的电平。

    • CPOL=0:SCK闲置时间为低水平。
    • CPOL=1:SCK闲暇时间为高档次。
  • CPHA (Clock Phase)

    :时钟相位。定义了数据在SCK的哪个边沿被采样。

    • CPHA=0:数据在SCK的第一个时钟边沿(上升沿或下降沿,CPOL)进行采样。
    • CPHA=1:数据在SCK的第二个时钟边沿(上升沿或下降沿,CPOL)进行采样。

这四个组合组成了四种SPI模式:

  • Mode 0 : CPOL=0, CPHA=0 (闲置低电平,第一个边沿采样)
  • 模式1:CPOL=0,CPHA=1(闲置低水平,第二个边沿采样)
  • 模式2:CPOL=1,CPHA=0(闲置高水平,第一个边沿采样)
  • 模式3:CPOL=1,CPHA=1(闲置高水平,第二个边沿采样)

图2:SPI四种工作模式的交互图

SCK (CPOL=0, CPHA=0)
空闲低电平
      ____        ____        ____
_____|    |______|    |______|    |____
   ^        ^
   |        |
 采样点    移位点 (数据输出)

SCK (CPOL=0, CPHA=1)
空闲低电平
      ____        ____        ____
_____|    |______|    |______|    |____
       ^        ^
       |        |
    移位点    采样点

SCK (CPOL=1, CPHA=0)
空闲高电平
____        ____        ____
    |______|    |______|    |____
   ^        ^
   |        |
 采样点    移位点 (数据输出)

SCK (CPOL=1, CPHA=1)
空闲高电平
____        ____        ____
    |______|    |______|    |____
       ^        ^
       |        |
    移位点    采样点

说明:

  • 采样点(Sampling Edge):接收设备读取数据位的时钟边沿。
  • 升降点(Shift Edge):发送设备将数据位输出到数据线的时钟边沿。

在通信过程中,主设备和从设备必须配置为相同的SPI模式,否则通信将无法正常进行。

4. STM32 SPI数据传输流程

SPI通信是基于移位寄存器的。主设备和从设备内部都有一个移位寄存器。当主设备启动通信时,它会拉低目标从设备的SS/CS线,然后开始生成SCK时钟信号。

在每个时钟周期:

  • 主设备将要发送的数据位从其MOSI线上移出。
  • 从设备将要发送的数据位从其MISO线路移出。
  • 同时,主设备从MISO线接收数据位,从设备从MOSI线接收数据位。

这个过程就像两个升降台首尾相连,数据在主从设备之间“循环”移动。即使只需要单向传输数据,SPI也通常会进行双向数据交换(例如,主设备发送数据时,从设备会发送一些无效数据或初始数据)。

图3:SPI数据传输地图(全双工)

      +-----------+           +-----------+
      |   Master  |           |   Slave   |
      |   Shift   |           |   Shift   |
      | Register  |           | Register  |
      +-----------+           +-----------+
            |                         |
 MOSI <-----|-------------------------|-----> 数据从主设备发送到从设备
      (Master Out, Slave In)

 MISO <-----|-------------------------|<---- 数据从从设备发送到主设备
      (Master In, Slave Out)

 SCK  <-----|-------------------------|-----> 时钟信号 (由主设备提供)

 SS/CS<-----|------------[选择从设备]------> 片选信号 (由主设备控制)

说明:

  • 在每个时钟边沿,主设备和从设备同时进行数据的发送和接收。
  • 数据通常为MSB ( Most Significant Bit) First(最高有效位优先)传输,但STM32也支持LSB First(最低有效位优先)传输。

5. STM32 SPI高级特性

STM32的SPI外设还支持以下高级功能,以提高通信效率和可靠性:

  • 数据帧格式:支持Motorola和TI帧格式。
  • 数据大小:可配置4位到16位数据帧。
  • 预分频器(Prescaler):SPI时钟可以通过预分频器进行分频,以调整通信速度。SPI时钟速度不能超过内部中断频率的一半。
  • DMA(Direct Memory Access):支持DMA传输,可以将数据直接从内存传输到SPI外设或从SPI外设传输到内存,从而减少CPU的干预,提高数据吞吐量。
  • CRC (Cyclic Redundancy Check):支持硬件CRC校验,提高数据传输的可靠性。
  • 中断(Interrupts):SPI外设置可以生成多种中断请求,如串口中断、串口非空中断、错误中断等,方便软件进行事件处理。
  • 半双工和只收/只发送模式:除了全双工模式,STM32 SPI还支持半双工(消耗毛发数据线)以及只接收或只发送模式。

6. STM32 SPI配置流程(HAL库示例)

使用STM32Cube HAL库配置SPI通常包括以下步骤:

  1. 使能时钟:使能SPI外部设置和相关GPIO端口的时钟。

  2. GPIO配置:配置SPI引脚(SCK、MOSI、MISO、SS/CS)为复用功能或通用推挽输出(用于软件SS)。

  3. SPI参数初始化

    :配置SPI实例,包括:

    • 模式(主/从)
    • 数据方向(全双工、半双工等)
    • 数据大小(8位、16位)
    • CPOL、CPHA
    • 波特率预分频器
    • 软件/硬件 NSS 管理
    • 主要传输顺序(MSB/LSB)
  4. 使能SPI外设: 启用SPI模块。

  5. 数据传输:调用HAL库函数进行数据发送、接收或收发,可以通过阻塞模式(Polling)、中断模式(Interrupt)或DMA模式。


代码示例(STM32)

1.STM32 SPI操作的整体流程

  1. GPIO初始化:配置SPI相关的GPIO引脚(SCK, MISO, MOSI, 以及任选的SS/CS)作为对应的复用功能。
  2. SPI外设时钟使能:使能SPI外设时钟。
  3. SPI初始化:配置SPI的工作模式(主/从)、数据方向、数据帧大小、时钟相位、时钟相位、波特率预分频参数等。
  4. SS/CS 引脚控制(如果使用软件 SS):如果不使用硬件 SS,则需要手动控制一个 GPIO 引脚作为片选信号。
  5. 数据传输:调用HAL库提供的发送、接收或收发函数。
  6. 错误处理与中断/DMA回调(如果使用):在中断或DMA模式下,处理中断回调函数中的数据和错误。

2.具体函数操作顺序(使用STM32CubeIDE生成的HAL库为例)

假设我们使用STM32CubeIDE生成了项目,并且已经配置好SPI外设。以下是核心的代码片段和函数调用顺序:

2.1. 物品工作(通常由CubeIDE自动生成)

main.c文件中,你会看到以下结构:

// 定义一个SPI句柄
SPI_HandleTypeDef hspi1; // 假设使用SPI1

// GPIO初始化函数声明
static void MX_GPIO_Init(void);
// SPI初始化函数声明
static void MX_SPI1_Init(void);

int main(void)
{
  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init(); // 1. HAL库初始化

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config(); // 2. 系统时钟配置

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();   // 3. GPIO初始化
  MX_SPI1_Init();   // 4. SPI外设初始化

  /* Infinite loop */
  while (1)
  {
    /* Add user code here */
  }
}
2.2. GPIO 初始化函数 ( MX_GPIO_Init)

该函数通常由CubeIDE根据你在GPIO配置页面的设置自动生成。它使能GPIO时钟,并配置各个引脚的模式、上下拉、速度等。

// Example: GPIO init for SPI1 (Master, Full-Duplex, Software NSS)
static void MX_GPIO_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); // Enable GPIOA clock (assuming SPI1 uses PA5, PA6, PA7)
  __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE(); // Enable GPIOC clock (assuming PC4 for SS/CS)

  /*Configure GPIO pin : PC4 (CS pin) */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_4;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // Output Push-Pull for SS/CS
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; // Low speed for SS/CS
  HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

  /*Configure GPIO pins : PA5 (SCK), PA6 (MISO), PA7 (MOSI) */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7; // SCK, MISO, MOSI
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; // Alternate Function Push-Pull
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; // High speed for SPI data
  GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF5_SPI1; // Set alternate function to SPI1
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}
2.3. SPI外设初始化函数 ( MX_SPI1_Init)

该函数也是由CubeIDE自动生成,负责配置SPI的各种工作参数。

static void MX_SPI1_Init(void)
{
  /* SPI1 parameter configuration*/
  hspi1.Instance = SPI1; // 选择SPI1外设
  hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER; // 配置为SPI主模式
  hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; // 双线全双工模式 (MOSI和MISO)
  hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT; // 数据帧大小为8位
  hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW; // 时钟极性:空闲时SCK为低电平 (CPOL=0)
  hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE; // 时钟相位:数据在第一个时钟边沿采样 (CPHA=0)
  hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT; // 软件片选管理 (如果使用硬件SS,改为SPI_NSS_HARD_INPUT/OUTPUT)
  hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_16; // 波特率预分频,例如PCLK / 16
  hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB; // MSB优先传输
  hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE; // 禁用TI模式
  hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE; // 禁用CRC校验
  hspi1.Init.CRCPolynomial = 10; // CRC多项式 (如果CRC开启)

  // 调用HAL库函数进行SPI初始化
  if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler(); // 初始化失败,调用错误处理函数
  }
}

函数操作顺序总结(初始化阶段):

  1. HAL_Init():初始化HAL库,包括系统时钟、Systick等。

  2. SystemClock_Config():配置系统时钟(通常由CubeIDE生成)。

  3. MX_GPIO_Init()
    
    • __HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE():使能所有相关GPIO端口的时钟。
    • HAL_GPIO_Init():配置每个SPI引脚的模式、速度、上下拉、复用功能等。
  4. MX_SPI1_Init()
    
    • __HAL_RCC_SPIx_CLK_ENABLE():使能SPI外部设定的时钟。
    • 配置hspi1结构体成员(Instance, Mode, Direction, DataSize, CLKPolarity, CLKPhase, NSS, BaudRatePrescaler, FirstBit, TIMode, CRCCalculation, CRCPolynomial)。
    • HAL_SPI_Init(&hspi1): 调用HAL库函数执行SPI硬件初始化。
2.4. 数据传输操作

main函数的while(1)循环中,可以执行数据传输操作。在每次通信之前,确保将目标设备的SS/CS引脚拉低,通信结束后再拉高。

使用软件NSS(推荐):

#define SLAVE_CS_PORT GPIOC
#define SLAVE_CS_PIN GPIO_PIN_4

// 示例:发送数据
uint8_t txData[] = {0x01, 0x02, 0x03};
uint8_t rxData[3];
HAL_StatusTypeDef status;

// 1. 拉低片选信号,选择从设备
HAL_GPIO_WritePin(SLAVE_CS_PORT, SLAVE_CS_PIN, GPIO_PIN_RESET); // CS low

// 2. 发送数据 (阻塞模式)
status = HAL_SPI_Transmit(&hspi1, txData, sizeof(txData), HAL_MAX_DELAY); // 发送3个字节
if (status != HAL_OK)
{
    // Handle Error
}

// 或者:接收数据 (阻塞模式)
status = HAL_SPI_Receive(&hspi1, rxData, sizeof(rxData), HAL_MAX_DELAY); // 接收3个字节
if (status != HAL_OK)
{
    // Handle Error
}

// 或者:发送和接收数据 (阻塞模式)
status = HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, txData, rxData, sizeof(txData), HAL_MAX_DELAY); // 同时发送和接收3个字节
if (status != HAL_OK)
{
    // Handle Error
}

// 3. 拉高片选信号,释放从设备
HAL_GPIO_WritePin(SLAVE_CS_PORT, SLAVE_CS_PIN, GPIO_PIN_SET); // CS high

// 4. 等待一段时间或执行其他操作
HAL_Delay(10); // 例如,等待10ms

函数操作顺序总结(数据传输阶段 - 支撑模式):

  1. HAL_GPIO_WritePin(SLAVE_CS_PORT, SLAVE_CS_PIN, GPIO_PIN_RESET):拉低 SS/CS从设备中选中。
  2. 选择传输函数
    • HAL_SPI_Transmit(&hspi1, pTxData, Size, Timeout): 发送数据。
    • HAL_SPI_Receive(&hspi1, pRxData, Size, Timeout): 接收数据(发送空字节)。
    • HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, pTxData, pRxData, Size, Timeout):同时发送和接收数据。
  3. HAL_GPIO_WritePin(SLAVE_CS_PORT, SLAVE_CS_PIN, GPIO_PIN_SET):拉高SS/CS以从设备释放。
2.5. 中断和DMA模式(高级应用)

如果使用中断或DMA模式,数据传输函数此时非阻塞的,并且需要处理回调函数:

中断模式:

  1. 使能SPI中断

    MX_SPI1_Init()
    

    之后,通常会包含以下代码(或在CubeIDE中勾选):

    HAL_NVIC_SetPriority(SPI1_IRQn, 0, 0); // 设置中断优先级
    HAL_NVIC_EnableIRQ(SPI1_IRQn); // 使能SPI1中断
    
  2. 传输函数

    • HAL_SPI_Transmit_IT(&hspi1, pTxData, Size)
    • HAL_SPI_Receive_IT(&hspi1, pRxData, Size)
    • HAL_SPI_TransmitReceive_IT(&hspi1, pTxData, pRxData, Size)
  3. 中断回调函数

    • HAL_SPI_TxCpltCallback(&hspi1): 发送完成回调
    • HAL_SPI_RxCpltCallback(&hspi1): 接收完成回调
    • HAL_SPI_TxRxCpltCallback(&hspi1): 收发完成回调
    • HAL_SPI_ErrorCallback(&hspi1): 错误回调

DMA模式:

  1. 配置DMA通道:在CubeIDE中配置DMA(Tx和Rx)。
  2. 传输函数
    • HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1, pTxData, Size)
    • HAL_SPI_Receive_DMA(&hspi1, pRxData, Size)
    • HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi1, pTxData, pRxData, Size)
  3. DMA中断回调函数:与中断模式类似,DMA传输完成后会触发对应的SPI回调函数。

函数操作顺序总结(中断/DMA模式):

  1. 初始化阶段
    • 确定中断或DMA配置正确(使能中断/DMA通道,设置优先级)。
    • HAL_SPI_Init()内部会处理中断使能(如果是中断模式)或DMA关联。
  2. 传输等级
    • HAL_GPIO_WritePin()(SS/CS 低)
    • 调用HAL_SPI_Transmit_IT/DMA()HAL_SPI_Receive_IT/DMA()HAL_SPI_TransmitReceive_IT/DMA()。这些函数会立即返回。
    • 在主程序中,可以执行其他任务。
    • 等待或响应回调:在HAL_SPI_TxCpltCallbackHAL_SPI_RxCpltCallbackHAL_SPI_TxRxCpltCallback中处理数据完成的逻辑。
    • 在这些回调函数中,通常会执行HAL_GPIO_WritePin()(SS/CS high)来从设备释放,或者触发下一个传输。
    • 处理HAL_SPI_ErrorCallback中的错误。

3、注意事项

  • 时钟匹配:确保STM32主设备和从设备的SPI模式(CPOL和CPHA)完全匹配。
  • SS/CS管理:这是SPI通信的关键。一定要在每次通信前拉低SS/CS,结束通信后拉高,以确保从设备正确响应。如果是多从设备,每次只能选中一个从设备。
  • 数据蜡烛图:确定发送和接收蜡烛图的大小足以容纳所有数据。
  • 错误处理:经常检查HAL函数的返回值,并在出现HAL_ERRORHAL_TIMEOUT时进行适当的错误处理。
  • 同步与异步:阻塞模式(轮询)简单但效率低;中断和DMA模式更复杂但能提高CPU利用率和数据吞吐量。
  • 数据字节顺序:默认为MSB First,如果从设备为LSB First,需要在初始化时修改FirstBit成员。

以上是使用STM32 HAL库进行SPI通信的典型函数操作顺序。实际项目中,可能会根据具体的设备和应用需求进行参数。


总结

STM32的SPI协议是一种强大而灵活的串行通信方式。了解其主从架构、四线连接、CPOL/CPHA定义的工作模式以及数据传输机制,对于在STM32项目中有效地应用SPI关键。STM32提供了丰富的硬件特性和灵活的软件配置选项,能够满足各种应用场景下的高速、可靠的通信需求。

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鲲鹏Arm+麒麟V10 K8s 离线部署教程

针对鲲鹏 CPU 麒麟 V10 的离线环境&#xff0c;手把手教你从环境准备到应用上线&#xff0c;所有依赖包提前打包好&#xff0c;步骤写成傻瓜式操作指南。 一、环境规划# 准备至少两台机器。 架构OS作用Arm64任意&#xff0c;Mac 也可以下载离线包Arm64麒麟 V10单机部署 K8s…

PGSQL结合linux cron定期执行vacuum_full_analyze命令

‌VACUUM FULL ANALYZE 详解‌ 一、核心功能 ‌空间回收与重组‌ 完全重写表数据文件&#xff0c;将碎片化的存储空间合并并返还操作系统&#xff08;普通 VACUUM 仅标记空间可重用&#xff09;。彻底清理死元组&#xff08;已删除或更新的旧数据行&#xff09;&#xff0c;解…

C#定时器深度对比:System.Timers.Timer vs System.Threading.Timer性能实测与选型指南

本文通过真实基准测试揭秘两种常用定时器的性能差异&#xff0c;助你做出最佳选择 一、C#定时器全景概览 在C#生态中&#xff0c;不同定时器适用于不同场景。以下是主流定时器的核心特性对比&#xff1a; 定时器类型命名空间适用场景触发线程精度内存开销依赖框架System.Wind…

解决8080端口被占问题

文章目录 1. 提出问题2. 解决问题2.1 查看占用8080端口的进程2.2 杀死占用8080端口的进程2.3 测试问题是否已解决3. 实战小结1. 提出问题 运行Spring Boot项目,报错8080端口被占 2. 解决问题 2.1 查看占用8080端口的进程 执行命令:netstat -ano | findstr :8080 2.2 杀死占用…

介绍一种LDPC码译码器

介绍比特翻转译码原理以及LDPC码译码器的设计。 1 译码理论 比特翻转&#xff08;BF&#xff09;译码算法是硬判决算法的一种。 主要译码思想是&#xff1a;当有一个校验矩阵出错时&#xff0c;BF 算法认为在这个校验矩阵中一定至少存在一个位置的码字信息是错误的&#xff1…

3DMAX+Photoshop教程:将树木和人物添加到户外建筑场景中的方法

在本教程中&#xff0c;我将向您展示如何制作室外场景。我不会详细解释每一个细节&#xff0c;而是想快速概述一下我的方法。 在本教程中&#xff0c;我使用了一个相对简单的3D模型&#xff0c;并向您展示了在一些高质量纹理的帮助下可以做什么。此外&#xff0c;我将向您展示…

随记 配置服务器的ssl整个过程

第一步 先了解到这个公钥私钥服务器自己可以生成&#xff0c;但是没什么用&#xff0c;浏览器不会信任的&#xff0c;其他人访问不了。所以要一些中间机构颁布的证书才有用。 一般的服务器直接 安装 Certbot 和插件 //CentOS Nginx 用户&#xff1a; sudo yum install epe…

数据库高可用架构设计:集群、负载均衡与故障转移实践

关键词:数据库高可用,HA架构,数据库集群,负载均衡,故障转移,SQL Server Always On,MySQL InnoDB Cluster,高可用性组,读写分离,灾难恢复 在当今瞬息万变的数字化时代,数据的价值日益凸显,数据库作为承载核心业务数据的基石,其可用性直接决定了业务的连续性与用户…